Verbesserte aktive Geräuschunterdrückung mit neuen Automobil-Audiotechnologien

Fahrer auf dem Markt für ein neues Fahrzeug suchen aktiv nach leiseren Autos, die ein überlegenes Kommunikationserlebnis sowohl zwischen den Passagieren als auch mit der Außenwelt bieten. Autos sind viel leiser, da sie elektrischer werden; Allerdings würden die Passagiere in diesen leiseren Autos, insbesondere bei höheren Geschwindigkeiten, normalerweise mehr Außengeräusche hören als in einem lauten Auto mit Verbrennungsmotor.

Mit dem Bestreben, den Kabinenlärm noch weiter zu reduzieren, werden fortschrittliche Techniken mit Mikrofonen, Verstärkern, Lautsprechern und fortschrittlicher digitaler Signalverarbeitung verwendet, um die Reduzierung von Hintergrundgeräuschen, eine klare Sprachkommunikation zwischen den Passagieren sowie Notfall- und High-Fidelity-Freisprechanrufe zu ermöglichen .

Einführung in die aktive Geräuschunterdrückung

Herkömmliche Geräuschunterdrückungstechniken wie passive Isolierung und Spezialreifen machen Fahrzeuge schwerer und verringern die Kraftstoffeffizienz. Wie in Abbildung 1 gezeigt, können Verfahren mit aktiver Geräuschunterdrückung (ANC) dieselben Vorteile bei reduziertem Gesamtgewicht im Vergleich zu passiven Dämmverfahren und ohne Beeinträchtigung der Kraftstoffeffizienz erzielen.

Ein ANC-System funktioniert durch die strategische Platzierung von zwei bis sechs Mikrofonen im gesamten Innenraum eines Fahrzeugs. Diese Mikrofone messen Innengeräusche und übertragen Audiodaten an ein Audio-Subsystem, das wiederum ein Anti-Audio-Signal an die eingebauten Lautsprecher ausgibt. Da es sich um dieselben Lautsprecher handelt, die für Audiowiedergabeanwendungen verwendet werden, ist das Hinzufügen eines ANC-Systems mit relativ geringen zusätzlichen Kosten verbunden.

Abbildung 1:Ein ANC-System verwendet Mikrofone und eingebaute Lautsprecher, um die Geräusche in der Kabine zu reduzieren.

Das ANC-System für Einsteigerautos verwendet zwei bis vier Mikrofone, während High-End-Autos bis zu sechs Mikrofone verwenden. Abbildung 2 zeigt eine typische ANC-Implementierung.

Abbildung 2:Blockschaltbild zeigt, wie die Mikrofonsignale kombiniert werden, um ein Anti-Rausch-Wiedergabesignal zu erzeugen.

Mehrere strategisch platzierte Mikrofone im Fahrzeuginnenraum erfassen Geräusche von Quellen wie Motor, Straßen- und Reifenkontakt, Wind, strukturellen Vibrationen und dem Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagensystem.

Ein Audio-Analog-Digital-Wandler (ADC) digitalisiert das Audiosignal, das von der Mikrofonanordnung kommt, und sendet die digitalisierte Ausgabe über einen Zeitmultiplex-(TDM)-Bus an den Anwendungsprozessor.

Der Anwendungsprozessor implementiert den rückgekoppelten ANC-Algorithmus und erzeugt ein Antirauschsignal mit gleicher und entgegengesetzter Amplitude zum gemessenen Audiorauschen. Dieses Anti-Noise-Signal wird über das bereits verfügbare Lautsprechersystem wiedergegeben, wodurch aktive Umgebungsgeräusche unterdrückt werden .

Ähnlich wie bei einem ANC-System erfordern In-Cabin-Communication (ICC) und Freisprech-Voice-Beamforming-Systeme, die das Kommunikationserlebnis zwischen den Passagieren sowie mit der Außenwelt verbessern, ein Multi-Mikrofon- und Multi-Lautsprecher-System. Alle diese Systeme koexistieren und kommunizieren effektiv miteinander, um ein verbessertes Erlebnis in der Kabine zu schaffen. Je nach Systemanforderungen, Fahrzeuggröße und Luxusklasse (Low-, Middle- und High-End) verwenden OEMs für jede dieser Anwendungen eine unterschiedliche Anzahl von Mikrofonen.

Wichtige Designüberlegungen

ANC-Systeme verwenden zwei bis sechs Mikrofone. Diese Mikrofone müssen auf die vom Mikrofonhersteller empfohlene Vorspannung vorgespannt werden. Sie müssen auch für verschiedene Fehlerzustände diagnostiziert werden, wie zum Beispiel:

• Mikrofonsignal mit Masse kurzgeschlossen
• Mikrofonsignal mit MICBIAS kurzgeschlossen
• Mikrofonsignal ist offen
• Mikrofon-Differenzsignale miteinander kurzgeschlossen
• Mikrofonsignal mit Batteriespannung kurzgeschlossen (V_BAT )

Beispielsweise ermöglichen die programmierbare Mikrofonvorspannung und die umfassenden Fehlerdiagnosefunktionen des Audio-ADC PCM6260-Q1 von Texas Instruments (TI) dem Benutzer, beide Funktionen sehr kosten- und größenoptimiert unterzubringen.

Das Gerät unterstützt eine vollständig programmierbare DC-Fehlerdiagnosefunktion mit Mikrofoneingang für direkt- oder DC-gekoppelte Eingänge bei gleichzeitiger Aufnahme des Mikrofons. Diese Fehler verwenden programmierbare Schwellenwerte. Die einzelnen Fehler und die einzelnen Kanäle können einzeln aktiviert oder deaktiviert werden. Bei einem diagnostizierten Fehler wird ein Interrupt an den Interrupt-Pin gesendet. Durch das Rücklesen der Statusregister können weitere Details wie die Art des Fehlers sowie der Kanal, für den der Fehler aufgetreten ist, ermittelt werden.

Darüber hinaus verfügt dieses Gerät über einen eingebauten rauscharmen, programmierbaren Hochspannungs-Mikrofon-Bias-Pin zum Vorspannen analoger Mikrofone von 5 V bis 9 V. Der integrierte Bias-Verstärker unterstützt bis zu 80 mA Laststrom, der für mehrere . verwendet werden kann Mikrofone und wurde entwickelt, um ein hohes Stromversorgungs-Unterdrückungsverhältnis, geringes Rauschen und programmierbare Vorspannungen bereitzustellen, um eine Feinabstimmung der Vorspannung für bestimmte Mikrofonkombinationen zu ermöglichen.

Für die zwei bis sechs Mikrofone, die in einem ANC-System benötigt werden, gehört das PCM6260-Q1 zu einer Familie von Audio-ADCs, die mit zwei (PCM6020-Q1), vier (PCM6240-Q1, PCM6340-Q1), sechs (PCM6260- Q1, PCM6360-Q1) und acht (PCM6480-Q1) Kanäle. Abb. 3 ist ein Anwendungsblockdiagramm für ein ANC-System mit sechs Mikrofonen mit dem PCM6260-Q1.

Abbildung 3:PCM6260-Q1 wird verwendet, um ein ANC-System mit sechs Mikrofonen zu implementieren.

Was sind die zukünftigen Trends bei der Implementierung von Audio in ANC-Systemen?

Mit Blick auf zukünftige Implementierungen ziehen einige OEMs auch einen Audio-Hub in Betracht, wie in Abb. 4 .

Abbildung 4:Audio-Hub-Modul

Der Audio-Hub würde Audiosignale von den ANC-, ICC-, eCall- und Freisprechmikrofonsystemen aufnehmen. Es würde dann die Audiosignale digitalisieren und akkumulieren und die digitalisierten Signale zur weiteren Verarbeitung an das jeweilige Audio-Subsystem senden.

Während der Audio-Hub eine zunehmende Anzahl von Mikrofoneingängen unterstützen soll, würde ein Audio-ADC wie der PCM6260-Q1 eine solche Architektur gut erfüllen, indem er es bis zu 24 Mikrofonen ermöglicht, dieselbe Steuerung zu teilen I ² C-Bus und TDM-Bus.

Da sich die Trends bei ANC, ICC und freihändigem Beamforming weiterentwickeln, wird der Audio-Hub die Mikrofon-Routing- und Implementierungskomplexität sowie die Kosten für Mikrofonkabel reduzieren.

>> Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht am unsere Schwesterseite Electronic Products.